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La cosmologie

Les cordes cosmiques

Nous savons que l'univers renferme de drôles d'objets, mais tous ont une structure tridimensionnelle et présentent une dimension intrinsèque somme toute raisonnable, même si elle défie le sens commun. Or, selon les physiciens théoriciens, il existerait dans l'univers des "cordes" à une dimension tout aussi étendues que l'univers visible... De quoi s'agit-il ?

Le nom de "corde" est une création des physiciens Michael Green de l’Université de Londres et John Schwarz de Caltech qui ont eux-mêmes élaborés leur théorie en s'inspirant de la supergravité de Kaluza. Ce concept trouve en fait ses racines dans la théorie de l'inflation.

Parmi les concepts des théories unifiées (gravité quantique), les symétries globales permettent aux champs de Higgs de s'orienter ensembles dans une même direction, tels de petits aimants. Ci et là dans les champs quantiques de la structure de l'espace-temp des "défauts topologiques" surgissent, telles des aimants différemment magnétisés que les autres, indiquant que l'inflaton (les champ de Higgs) pointe dans une direction différente des trois autres, ce sont des "cordes cosmiques" dont les états sont déterminés par les propriétés de symétrie de la matière-énergie et la nature de la phase de transition (de l'inflaton).

 Tout cela est bien ésotérique pour dire que les cordes cosmiques sont des "défauts topologiques" à une seule dimension spatiale, du même acabit que les textures, les murs ou les monopôles dans les dimensions supérieures. Elles sont définies par un champ dont l'énergie est fonction d'un point de l'espace. A ne pas confondre avec les supercordes qui sont également des cordes mais évoluant dans un espace à plus de trois dimensions spatiales (dans lequel le point devient un segment) en accord avec principes des théories de supersymétrie.

Les cordes cosmiques

A gauche, oscillation d'une corde dont l'amplitude diminue à mesure qu'elle rayonne et à droite, reconnexion de deux cordes cosmiques à la vitesse de 0.5c. Fichiers Mpeg de 4 MB et 1.4 MB. Documents Université de Cambridge.

Ces défauts topologiques seraient apparus dans une configuration stable et originellement symétrique durant la première phase de transition de l'Univers primordial et auraient persisté après le changement de phase de l'Univers, quelque 10-35 sec après le Big Bang, au moment de la scission entre la GUT (union des interactions fortes et électrofaibles) et la gravitation. A cette époque là, la théorie de l'inflation nous dit que l'Univers réel mesurait déjà 10 millions de milliards d'années-lumières de rayon !

Champ de radiation quadripolaire caractéristique des cordes cosmiques en vibrations.

Les cordes sont des structures filiformes qui s'étendraient à travers tout l'Univers mais sans dimension; leur longueur serait supérieure à 15 milliards d'années-lumière tandis que leur épaisseur serait réduite à l’échelle de Planck. Chaque extrémité d'une corde contiendrait un quark. Ces cordes seraient en vibrations à des vitesses relativistes et seraient extrêmement denses : le carré de la masse de Planck, soit 1019 kg/cm.

Etant donné qu'elles sont en vibrations rapides, ces structures se sont évaporées quelques secondes après le Big Bang, mais certaines seraient si massives qu'elles existeraient encore aujourd'hui. Selon Yakov Zel’dovitch, ces cordes cosmiques émettraient des ondes gravitationnelles et rayonneraient selon un mode quadripolaire tel que représenté à gauche.

Selon F.Bouchet, T.Kibble, W.Zurek et leurs collègues, ce sont les effets provoqués par les débris des cordes cosmiques (des boucles) qui auraient précipité l'agglomération des amas de galaxies en superamas et donné la structure actuelle de l'univers à grande échelle. 

En effet, ces sortes de condensations magnétiques perdirent tant d'énergie par leurs vibrations qu'elles créèrent des ondes gravitationnelles propices à la formation de la matière qui s'agglutina localement autour de particules massives comme les hypothétiques axions.

Les cordes cosmiques pourraient également expliquer l'existence de certaines formes de matière sombre. Mais une fois de plus, il manque à cette théorie une confirmation expérimentale pour la valider.

Les champs binaires

Jusqu'à la fin des années 1980, les cordes cosmiques sont restées un concept abstrait sans que les physiciens ni les astronomes ne soient en mesure d'observer l'une de ses prédictions : les effets gravitationnels. On avait bien simulé leur comportement sur ordinateur ou dans des cristaux liquides, mais tout cela restait bien éloigné de la réalité. La raison était simple, bien qu'extrêment longue (jusqu'à plusieurs milliards d'années-lumières), la dimension d'une corde cosmique réside à l'échelle de Planck ce qui ne permet pas de l'observer directement. Les simulations ne sont donc que des ersatz d'une réalité bien plus étrange.

Mais un fait nouveau est apparu dans le ciel des astronomes. En 1987, Esther Hu et son collègue Len Cowie[1] de l'Université d'Hawaii ont découvert quatre galaxies "doubles" regroupées dans une petite région du ciel. Cette région est si petite qu'on ne s'attendait pas à y trouver un couple de galaxies, ou alors vraiment par le plus grand des hasards. En découvrir quatre au même endroit était donc extraordinaire. Mais aujourd'hui il semble que l'explication pourrait impliquer les "cordes cosmiques", ces résidus d'énergie abandonnés après le Big Bang.

Hu analysa ces étranges couples extragalactiques et suggéra que chaque couple de galaxies correspondait en réalité à l'image dédoublée d'une galaxie plus distante. Elle pense que l'image s'est formée par l'effet gravitationnel d'un segment de corde cosmique massive qui résiderait entre nous et la galaxie.

Depuis cette découverte, on a baptisé ce genre de couples, un "champ binaire". Une étude plus détaillée a révélé trois paires de galaxies supplémentaires, totalisant 7 couples serrés !

Les astronomes connaissent bien les interactions entre galaxies et nous avons expliqué en astrophysique qu'il est finalement naturel que les galaxies se regroupent par paire, amas et superamas. Mais se serrer à l'image des sept champs binaires n'obéit pas aux seules lois de la gravitation en carré inverse ni à une distribution aléatoire des galaxies.

D'autre part les astronomes connaissent plusieurs exemples d'images dédoublées ou multiples de galaxies reproduisant des objets distants. La plupart s'expliquent par l'effet d'une lentille gravitationnelle. La gravité d'un objet intermédiaire sombre, telle qu'une galaxie ou un trou noir, voire occasionnellement une étoile massive située dans la galaxie distante (microlensing) dévie les rayons lumineux situés dans la ligne de visée de l'observateur. Mais ces effets de "lensing" sont incapables d'expliquer certaines images doubles, visuellement proches l'une de l'autre dans le ciel.

Certains astronomes avaient suggéré que les cordes cosmiques pouvaient expliquer ces champs binaires, mais jusqu'à présent il n'existait pas suffisamment de preuves expérimentales pour supporter cette théorie.

Etant donné que la corde cosmique est excessivement massive, elle déforme l'espace à l'image d'un cône à travers lequel une corde passerait verticalement par l'apex (d'où le qualificatif d'espace conique à hauteur de la corde). On reviendra sur ce phénomène un peu plus bas.

Dans le cercle original tracé dans l'espace plan, deux faisceaux lumineux parallèles passent de chaque côté du centre sans jamais se croiser. Dans un espace conique au contraire, les trajectoires des deux rayons lumineux convergent en raison de la forme conique de l'espace. De la même manière, deux faisceaux lumineux divergents à partir d'une source située derrière une corde cosmique, sembleront, vus de la Terre, converger en produisant deux images rapprochées d'un même objet. C'est ce type d'images binaires observées dans un même endroit du ciel que Hu et Cowie auraient découvert.

Des analyses minutieuses de la première paire de galaxies du champ binaire sont compatibles avec cette théorie. En fait toutes les paires apparaissent comme des couples ordinaires avec une séparation angulaire d'environ 2.4", compatible avec les prédictions de la théorie des cordes. Mais personne n'est encore capable de dire si l'image dédoublée consiste en l'image double d'une seule galaxie ou s'il s'agit simplement de deux galaxies distinctes orbitant l'une autour de l'autre.

Pour valider l'une ou l'autre hypothèse, nous devons découvrir d'autres champs binaires dans la même région du ciel. Hu a effecté ce travail en photographiant à très longues poses des objets extrêmement faibles du ciel profond au moyen du télescope 2.2 m de l'Université d'Hawaii. Elle a également photographié un "champ de référence" de même taille avec la même technique.

Le champ de référence et le champ binaire devaient contenir une paire de galaxies binaires si celles-ci sont distribuées aléatoirement sur la voûte céleste. Hu[2] a découvert qu'il y avait effectivement une galaxie binaire dans le champ de référence et jusqu'à 7 galaxies doubles dans le champ binaire !

Quelle que soit l'origine des systèmes galactiques binaires, Hu fit remarquer qu'"il n'y a apparemment pas un excès significatif de jumelles". Les galaxies binaires étant très pâles, jusqu'à présent on n'est pas encore parvenu à enregistrer leur spectre. S'il s'avérait que les deux composantes binaires présentaient un spectre identique, cela confimerait qu'il s'agit de deux images produites par une lentille gravitationnelle. Complétés par les autres mesures, ces indices pourraient persuader les astronomes que nous voyons effectivement sous nos yeux les effets d'une corde cosmique. Nous saurons bientôt si nous pouvons nous tenir à cette corde ou si nous devrons nous décider à l'abandonner, faute de données expérimentales.

Evasion sur une corde

Après avoir lancé notre corde jusqu'aux confins de l'univers et peut-être ramené les champs binaires, faisons une escapade toute théorique mais plus "détendue", toujours muni de notre cordage cosmique si précieux en bandouillère.

La particularité des cordes cosmiques fut exploitée en 1981 par J.Gott et W.Hiscock[3] pour inventer une machine à explorer le temps. Ainsi que le montre bien le schéma présenté ci-dessous, une corde cosmique courbe l’espace-temps comme le ferait la gravité. C'est normal, puisqu'elle est issue de la gravité quantique. Ce qui est plus inattendu c'est la manière dont l'espace est recourbé.

Ainsi que nous l'avons dit, si on trace un cercle autour d’une corde, celui-ci présente un angle de courbure, provoquant une déformation, une ouverture dans la surface du cercle, un espace conique. Lorsqu’un objet atteint le bord de ce cercle, il saute spontanément et instantanément de l’autre côté de la surface, bien qu’il ne soit pas aisé de représenter à deux dimensions un évènement exploitant les quatre dimensions de l’espace-temps.

L’évènement évoluant dans un espace relativiste, pour un observateur extérieur qui regarde la corde se dépacer, les instants A et B se produisent à des moments différents alors qu’ils sont simultanés pour l’observateur à califourchon sur la corde. Pour ce dernier la corde est stationnaire. Pour l’observateur au repos par rapport à la corde, si la corde se déplace vers la gauche, l’évènement remonte le temps et vice versa. Bien entendu, pour l’observateur assis sur la corde stationnaire, il n’existe pas de saut temporel.

La machine à explorer le temps de J.R.Gott

Représentation d’une corde cosmique dans l’espace-temps. Si on dessine un cercle centré sur une corde cosmique, on constate que celle-ci courbe l’espace-temps comme le ferait la gravité, mais la circonférence du cercle est inférieure à 2πr, comme si le cercle formait un cône dont l’angle α ~ 1/10000° (fort exagéré - 90° - dans le schéma !). Document J.R.Gott adapté par l'auteur.

Maintenant, si nous prenons deux cordes cosmiques se déplaçant dans des directions différentes avec des vitesses opposées, aucun observateur ne verra les deux cordes au repos simultanément et pourra donc les utiliser pour voyager dans le temps. Pour que cela soit possible, la vitesse de la corde mesurée par l’observateur extérieur doit être v > c.cos (α/2), c étant la vitesse de la lumière. Pour α = 90°, la vitesse doit être supérieure à 0.7c. Si la corde se déplace vers la gauche suffisamment vite ou, cela revient au même, si l’observateur traverse une boucle dans la direction opposée à son déplacement, l’observateur pourra revenir à sa position initiale et se retrouver à l’instant de son départ.

Mais nous devons tempérer notre découverte. Des cordes parallèles qui se déplacent dans les 4 dimensions de l’espace-temps sont mathématiquement identiques à des particules massives sensibles à la gravitation dans l’espace tridimensionnel. Gerhard ‘t Hooft et ses collègues ont démontré que la corde se déplaçait en réalité à une vitesse supérieure à celle de la lumière, et se comportait en fait comme les tachyons qui, à l’heure actuelle, empêchent toute possibilité de voyager dans le temps.

Il reste toutefois une possibilité. Si la masse de la corde est bien tachyonique, le mouvement de son centre de masse n’est pas tachyonique, ni dans les trois ni dans les quatre dimensions de l’espace-temps. Alan Guth[4] et ses collègues ont toutefois démontré que la géométrie de ce système était reliée à la masse tachyonique, rendant la machine temporelle de Gott irréalisable. En outre Gott utilise des cordes cosmiques de longueur finies alors que la géométrie de ce système requiert des cordes infinies ou presque.

Stephen Hawking[5] apporte également sa contribution à cette théorie en inventant la “conjecture de rotation chronologique”. Selon sa théorie, la machine de Gott pourrait fonctionner si on entoure sa machine d’un champ d’énergie négative ou de singularités comme celles que l’on trouve au centre des trous noirs

Puisque cette solution empêcherait d’accéder à notre machine (et détruirait en même temps notre invention ainsi que son laboratoire), il est possible que la machine à explorer le temps de Gott doive définitivement êtrre abandonnée. Mais Gott considère que pour éviter que sa machine ne disparaisse dans un trou noir il suffirait de trouver suffisamment de matière ou d’énergie négative, ce qui reste très difficile voire utopique comme nous l'avons expliqué dans l'article consacré à l'étrange matière de masse négative. Reste à inventer une autre machine, plus simple à construire.

Pour plus d'informations

L'Univers à 11 dimensions (sur ce site)

The Second String Revolution, John H.Schwarz, Caltech

The Official String Theory website, Caltech

Superstrings, Brian Greene, Cornell

Strings, John M.Pierre, MIT

Mkaku, le site web de Michio Kaku

New form of atomic nuclei just confirmed and it suggests time travel is impossible, Futurism, 2016

Brian Greene: Time Travel is Possible (vidéo), Futurism, 2015.

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[1] Esther Hu et Len Cowie, Astrophysical Journal Letters, Vol.318, p L33, 1987.

[2] Esther Hu, Astrophysical Journal, Vol.360, p L7.

[3] J.Gott, Physical Review Letters, 66, p1126, 1991 - J.Gott, Astrophysical Journal, 288, p422, 1985 - W.Hiscock, Physical Review, D, 31, p3288, 1985.

[4] A.Guth et al., Physical Review Letters, 68, p263, 1992.

[5] S.Hawking, Physical Review, D, 1992.


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